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문제 정의
- 즉, 고정체의 사공간부에서 고정체만 파절, 고정체와 지대주 나사 둘 다 파절, 지대주와 고정체 육각부가 접하는 경계부에서 지대주와 지대주 나사 둘 다 파절된 경우로 나눌 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 주사전자현미경을 이용하여 위에서 분류한 3가지 파절 형태로 파손된 대표적인 임플란트 각 1종을 선택하여 파단면을 자세히 관찰하였다.
가설 설정
- 3차원 기하모델을 단순화하기 위하여 임플란트 고정체의 내부 나사와 연결 나사 사이에 빈 공간이 없다고 가정하였으며, ANSYS (Ver10.0, Ansys Corp., USA)를 이용하여 전처리(pre-processing) 과정을 시행하였다. 임플란트 시스템의 2차원 단면 모형과 치수 측정 결과로부터 임플란트 시스템의 3차원 모형을 생성하였다.
- 유한 요소 해석에 있어서 해의 근사치를 구하기 위하여 임플란트 시스템을 구성하는 고정체, 고정 나사, 치밀 골을 강소성체 (rigid-plastic)로 가정하였고, 임플란트 각 구성 부품들은 완전한 접합을 이루는 것으로 가정하였다. 임플란트 고정체의 재질은 grade IV 순수 티타늄, 고정 나사는 Ti6Al4V 티타늄 합금, 지대주는 티타늄 합금 grade Ⅲ로 이루어져 있으며, 지대주를 덮는 캡은 스테인리스 스틸로 이루어져 있다.
- )을 적용 하여 3차원 유한 요소 모델을 생성하였고, 3차원 유한 요소 모델에서는 46,324개의 사면체 절점(tetrahedron node)과 292,948개의 요소로 분할하여 해석하였다. 응력 해석을 위한 모델은 고정체(fixture), 고정 나사(abutment screw), 지대주(abutment), 지대주를 덮는 캡(cap), 치밀골(compact bone)로 구성되어 있으며, 각 구조물간 요소의 연결은 완전한 접합을 이루는 것으로 가정하였다. 특히 임플란트의 피로 시험 조건과 일치시키기 위하여 임플란트는 치밀 골판에 30°경사지게 식립하는 조건으로 가정 하였으며, 응력 해석의 정확성을 기하기 위하여 임플란트 고정체와 고정체에 인접한 골 부위를 세밀한 격자(mesh)로 나누었다.
- 치과 임플란트에 대한 ISO 피로 시험 조건과 일치시키기 위하여 고정체(4.0×13.0 ㎜)와 지대주(4.0×7.0 ㎜)가 고정 나사에 의해 연결된 총 길이가 20.0㎜인 임플란트 시스템을 피질 골에 7.0㎜, 9.0㎜ 매식하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 동일 회사 4가지 형태의 임플란트 고정체에 각각에 맞는 지대주를 지대주 나사를 이용하여 30N㎝으로 조였으며, 8개 군으로 분류된 시료를 각 군당 8개씩 64개의 시편에 대해 ISO14801 규격에 따라 동적 하중 피로 시험기 (MTS 810 Material Test systems corp., Minnesota, U.S.A)에 30°경사를 갖는 스테인레스 스틸 주형을 제작하여 연결하고, 연결된 주형에 시편을 고정하고 실험 조건에 따라 반복 하중을 가하였다.
- 하지만 아직까지 임플란트 연결 형태 및 골능 수준이 임플란트 피로 수명 및 피로 파절에 미치는 효과에 관한 체계적인 연구는 제대로 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 임플란트 파절 사례에 대한 문헌 조사에 근거하여 임플란트의 연결 형태, 임플란트의 형상 및 고정체 노출 높이가 임플란트 피로 수명과 피로 파절 형태에 미치는 효과를 조사하고 또한, 임플란트 시스템에 대한 응력 해석을 실시하여 임플란트에 가해지는 응력의 크기와 피로 파절 사이의 상호 관계를 조사하였다. 한편, 통계 프로그램을 이용하여 피로 수명에 대한 기술 통계 및 추론 통계를 실시함으로써 연구 결과에 대한 신뢰성을 평가하였다.
- A)에 30°경사를 갖는 스테인레스 스틸 주형을 제작하여 연결하고, 연결된 주형에 시편을 고정하고 실험 조건에 따라 반복 하중을 가하였다. 또한 식립 높이, 즉 지지 골 소실에 따른 피로 수명 변화를 조사하기 위하여 시료 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 각각 2㎜, 4㎜씩 노출시켜 피로 시험하였다. 임플란트에 가하는 피로 하중은 하중 제어 방식과 사인파 (sine) 형태의 하중을 가하여 피로 시험하였다.
- 또한, 주사전자현미경을 이용하여 파단 면을 조사하였으며, 유한 요소법을 이용하여 각도 30°로 600N의 하중이 임플란트에 가해질 때 임플란트 각부에 발생되는 von Mises 응력을 알아 보고자하였다.
- 주사전자현미경 관찰은 Hitachi S-3000H (Hitachi Instruments, Inc, San Jose, USA)를 이용하여 실험하였다. 마크로 사진 촬영을 한 후에 대표적인 시편을 골라 피로 파절 시험편을 주사전자현미경으로 촬영하여 고정체 및 지대주 나사의 파절 위치와 파절 양상 등을 관찰하였고, 파절면을 관찰하여 파절의 형태와 파절의 진행을 분석하였다. 시편 표면 이물질 제거를 위해서 5분 동안 초음파 세척 후 시편을 관찰하였으며, 파절면을 500배로 촬영했으며 특징적 소견이 발견된 부위를 4,000-10,000배로 확대하여 관찰하였다.
- 본 유한 요소 모델은 대칭 형상으로 절반만 모델링한 후 대칭 경계조건(symmetry B.C.)을 적용 하여 3차원 유한 요소 모델을 생성하였고, 3차원 유한 요소 모델에서는 46,324개의 사면체 절점(tetrahedron node)과 292,948개의 요소로 분할하여 해석하였다. 응력 해석을 위한 모델은 고정체(fixture), 고정 나사(abutment screw), 지대주(abutment), 지대주를 덮는 캡(cap), 치밀골(compact bone)로 구성되어 있으며, 각 구조물간 요소의 연결은 완전한 접합을 이루는 것으로 가정하였다.
- 마크로 사진 촬영을 한 후에 대표적인 시편을 골라 피로 파절 시험편을 주사전자현미경으로 촬영하여 고정체 및 지대주 나사의 파절 위치와 파절 양상 등을 관찰하였고, 파절면을 관찰하여 파절의 형태와 파절의 진행을 분석하였다. 시편 표면 이물질 제거를 위해서 5분 동안 초음파 세척 후 시편을 관찰하였으며, 파절면을 500배로 촬영했으며 특징적 소견이 발견된 부위를 4,000-10,000배로 확대하여 관찰하였다.
- 외부 연결형 평행형 및 첨형 임플란트와 내부 연결형 평행형 및 첨형 임플란트의 고정체를 각각 2㎜, 4㎜씩 노출 시켜 피로 시험하고 유한 요소 및 주사전자현미경 관찰을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 고정체 주위의 골 소실, 임플란트 형태 및 연결형태가 임플란트의 피로 수명에 미치는 효과를 조사하기 위해 외부 연결 평행형(EP) 내부 연결 평행형(IP) 외부 연결 첨형(ET) 내부 연결 첨형 (IT) 임플란트를 각각 2㎜, 4㎜ 노출 시킨 상태에서 ISO14801에 명시된 각도 30°로 피로 수명을 실시하였으며, 통계 분석을 통하여 95% 신뢰수준에서 피로 수명을 비교하였다.
- 14과 15은 IT군 임플란트 시스템에서 고정체를 2㎜, 4㎜ 노출 시킨 상태에서 임플란트 축에 30°각도로 설측에서 협측으로 600N의 하중을 가했을 때 임플란트가 받는 응력의 크기를 나타내고 있다. 임플란트 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 5번째 나사골부에서 최대 응력이 작용하였으며, 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 조대한 나사의 두번째 골부에서 최대 응력이 작용하였다. 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 430MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,033MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 1,244MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 3,402 MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 급격히 높아졌다.
- 임플란트 시스템의 축방향에 30° 경사지게 하중을 부가하여 피로 시험 조건과 일치시켰으며, 이때 가해지는 하중은 대구치의 최대 교합력 600N 조건으로 가해지도록 하였다.
- 또한 식립 높이, 즉 지지 골 소실에 따른 피로 수명 변화를 조사하기 위하여 시료 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 각각 2㎜, 4㎜씩 노출시켜 피로 시험하였다. 임플란트에 가하는 피로 하중은 하중 제어 방식과 사인파 (sine) 형태의 하중을 가하여 피로 시험하였다. 실온에서 피로 시험을 실시하였고 최대 하중을 600N, 최소 하중은 최대 하중의 10%에 해당하는 60N을 선택하였으며, 피로 시험 주파수는 ISO14801에 따라 14Hz로 고정하였다.
- 주사전자현미경 관찰은 Hitachi S-3000H (Hitachi Instruments, Inc, San Jose, USA)를 이용하여 실험하였다. 마크로 사진 촬영을 한 후에 대표적인 시편을 골라 피로 파절 시험편을 주사전자현미경으로 촬영하여 고정체 및 지대주 나사의 파절 위치와 파절 양상 등을 관찰하였고, 파절면을 관찰하여 파절의 형태와 파절의 진행을 분석하였다.
- 특히 임플란트의 피로 시험 조건과 일치시키기 위하여 임플란트는 치밀 골판에 30°경사지게 식립하는 조건으로 가정 하였으며, 응력 해석의 정확성을 기하기 위하여 임플란트 고정체와 고정체에 인접한 골 부위를 세밀한 격자(mesh)로 나누었다.
- 이와 같은 사실로부터 피로 시험도중에 파절된 고정체, 지대주, 지대주 나사는 피로 균열의 생성 및 전파 과정을 거쳐, 임계 크기 이상으로 가해지는 하중을 더 이상 견디지 못하고 파절되는 피로의 전과정을 거쳐서 파절 되었다는 것을 알 수 있었다. 피로 파절된 임플란트를 마크로 사진으로 관찰한 결과 피로 파절 형태를 크게 3가지 즉, 고정체의 사공간부에서 고정체만 파절, 고정체와 지대주 나사 둘 다 파절, 지대주의 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계부에서 지대주와 지대주 나사 둘 다 파절된 경우로 분류하였다. 고정체를 2㎜ 노출 시켜 피로 시험한 경우 내부 연결형 임플란트는 모두 다 지대주 몸체와 고정체 육각부가 교차하는 지대주 경계부에서 수평으로 파절이 발생되었으나 외부 연결형 고정체의 경우 고정체 육각부 또는 고정체의 platform으로부터 고정체 나사부로 경사지게 파절이 발생되었다.
대상 데이터
- 고정체는 직경 4.0㎜, 길이 13.0㎜인 GS Ⅱ Implant (Osstem Co, Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였고, 지대주는 직경 4.0㎜, 길이 7.0㎜인 GS Transfer Abutment (Osstem Co. Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였으며, 이를 고정하기 위한 지대주 나사로는 동일 회사의 EbonyGold screw를 사용하였다.
- 고정체는 직경 4.0㎜, 길이 13.0㎜인 GS Ⅱ Implant (Osstem Co, Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였고, 지대주는 직경 4.0㎜, 길이 7.0㎜인 GS Transfer Abutment (Osstem Co. Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였으며, 이를 고정하기 위한 지대주 나사로는 동일 회사의 EbonyGold screw를 사용하였다.
- 고정체는 직경 4.0㎜, 길이 13.0㎜인 US Ⅲ Implant (Osstem Co, Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였고, 지대주는 직경 4.0㎜, 길이 7.0㎜인 US Cement Abutment (Osstem Co. Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였으며, 이를 고정하기 위한 지대주 나사로는 동일 회사의 EbonyGold screw를 사용하였다.
- 고정체는 직경 4.0㎜, 길이13.0 ㎜인 US Ⅱ Implant (Osstem Co. Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였고, 지대주는 직경 4.0㎜, 길이 7.0㎜인 US Cement Abutment (Osstem Co. Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였으며, 이를 고정하기 위한 지대주 나사로는 동일 회사의 EbonyGold screw를 사용하였다.
- 임플란트에 가하는 피로 하중은 하중 제어 방식과 사인파 (sine) 형태의 하중을 가하여 피로 시험하였다. 실온에서 피로 시험을 실시하였고 최대 하중을 600N, 최소 하중은 최대 하중의 10%에 해당하는 60N을 선택하였으며, 피로 시험 주파수는 ISO14801에 따라 14Hz로 고정하였다. 모든 피로 시험은 임플란트가 파절될 때까지 수행하였으며, 각 피로 시험편의 파절 위치를 자세히 조사하여 도표로 작성하고, 피로 시험에서 얻은 피로 수명에 대해 통계 패키지 (SPSS, ver.
데이터처리
- 실온에서 피로 시험을 실시하였고 최대 하중을 600N, 최소 하중은 최대 하중의 10%에 해당하는 60N을 선택하였으며, 피로 시험 주파수는 ISO14801에 따라 14Hz로 고정하였다. 모든 피로 시험은 임플란트가 파절될 때까지 수행하였으며, 각 피로 시험편의 파절 위치를 자세히 조사하여 도표로 작성하고, 피로 시험에서 얻은 피로 수명에 대해 통계 패키지 (SPSS, ver.12)를 이용하여 통계 분석을 실시하였다. 통계 분석은 피로 수명의 대표값 및 분포 형태를 나타내는 기술 통계 및 모집단의 특성을 파악할 수 있는 추정 통계를 실시하였다.
- 본 연구에서는 데이터 분석을 위해 널리 사용되고 있는 SPSS version 12.0 통계 프로그램을 이용하여 피로 수명에 대한 기술 통계 및 추정 통계를 실시하였다.
- 12)를 이용하여 통계 분석을 실시하였다. 통계 분석은 피로 수명의 대표값 및 분포 형태를 나타내는 기술 통계 및 모집단의 특성을 파악할 수 있는 추정 통계를 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 임플란트 파절 사례에 대한 문헌 조사에 근거하여 임플란트의 연결 형태, 임플란트의 형상 및 고정체 노출 높이가 임플란트 피로 수명과 피로 파절 형태에 미치는 효과를 조사하고 또한, 임플란트 시스템에 대한 응력 해석을 실시하여 임플란트에 가해지는 응력의 크기와 피로 파절 사이의 상호 관계를 조사하였다. 한편, 통계 프로그램을 이용하여 피로 수명에 대한 기술 통계 및 추론 통계를 실시함으로써 연구 결과에 대한 신뢰성을 평가하였다.
이론/모형
- , USA)를 이용하여 전처리(pre-processing) 과정을 시행하였다. 임플란트 시스템의 2차원 단면 모형과 치수 측정 결과로부터 임플란트 시스템의 3차원 모형을 생성하였다.
성능/효과
- 1. 고정체를 2㎜씩 노출 시켜 피로 시험시 첨형 임플란트 피로 수명이 평행형 임플란트 피로 수명보다 높고, 외부 연결형 임플란트 피로 수명이 내부 연결형 임플란트 피로 수명보다 높게 나타났으며, ET2군의 피로 수명이 가장 우수하고, 그 다음으로 EP2군의 피로 수명이 우수하며, IP2, IT2군의 피로 수명은 차이가 나지 않았다.
- 2. 고정체를 4㎜씩 노출 시켜 피로 시험시 평행형 임플란트 피로 수명이 첨형 임플란트 피로 수명보다 높고,외부 연결형 임플란트 피로 수명이 내부 연결형 임플란트 피로 수명보다 높게 나타났으며, EP4군의 피로 수명이 ET4, IP4, IT4군의 피로 수명보다 우수하게 나타났다.
- 3. 피로 파절 형태는 고정체 노출 높이가 2㎜인 경우 모든 내부 연결형 임플란트는 지대주 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계부에서 수평으로 피로 파절이 발생되고, 외부 연결형 임플란트는 고정체 육각부 부위에서 고정체 나사부 방향으로 경사지게 또는 고정체의 사공간부에서 피로 파절이 발생되었다. 고정체가 4 ㎜ 노출된 경우에는 임플란트 시스템의 종류와 무관하게 지대주 나사 첨부의 고정체 사공간부에서 주로 피로 파절이 발생되었다.
- 4. 피로 파절면 관찰은 모든 군에서 피로 줄무늬들을 보였으며 취성파괴의 특징인 벽개파면과 연성파괴의 특징인 딤플무늬 등이 혼재되어 나타났다.
- 5. 유한 요소법을 이용한 임플란트의 von Mises응력 해석 결과 압축력을 받는 협측 유효 응력이 인장력을 받는 설측 유효 응력보다 높고, 고정체에 작용하는 유효 응력이 지대주 나사에 작용하는 유효 응력보다 높게 나타났으며, 고정체에 작용하는 최대 유효 응력은 첨형 임플란트보다는 평행형 임플란트에서 높게 나타났다.
- 95% 신뢰 수준에서 전체 임플란트는 EP2군, ET2군, IP2-IT2군 3개의 집단 군으로 분류되었다. ET2군은 EP2군보다 피로 수명이 우수하고, IP2군과 IT2군 사이에는 95% 신뢰 수준에서 피로 수명에 있어서 유의한차이가 없는 것으로 판정되었다.
- 95% 신뢰 수준에서 전체 임플란트는 2개의 집단 군으로 분류되었다. EP4군은 IP4, ET4, IT4군보다 피로 수명이 가장 우수한 것으로 나타났으며, IP4군과 ET4, IT4군은 95% 신뢰 수준에서 피로 수명이 동일한 것으로 판정되었다.
- 95% 신뢰 수준에서 전체 임플란트는 EP2군, ET2군, IP2-IT2군 3개의 집단 군으로 분류되었다. ET2군은 EP2군보다 피로 수명이 우수하고, IP2군과 IT2군 사이에는 95% 신뢰 수준에서 피로 수명에 있어서 유의한차이가 없는 것으로 판정되었다.
- SPSS 통계 프로그램을 이용하여 이들 임플란트 피로 수명의 평균을 비교한 결과 고정체를 2㎜ 노출 시켜 피로 시험한 경우 임플란트의 피로 수명이 신뢰 수준 95%에서 다음과 같은 세 가지 부 집단 군으로 나누어 졌다. ET2군의 피로 수명이 가장 우수하고, EP2군이 두 번째로 피로 수명이 우수하며, IP2군과 IT2군 사이에는 평균 피로 수명에 있어서 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 고정체를 4 ㎜ 노출 시킨 경우 임플란트의 피로 수명이 신뢰 수준 95%에서 EP4군이 ET4, IP4, IT4군에 비해 피로 수명이 우수한 것으로 평가되었고, ET4, IP4, IT4군 사이에는 신뢰 수준 95%에서 평균 피로 수명의 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 von Mises 응력의 크기는 669MPa, 협측의 최대 von Mises 응력의 크기는 1,049MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 726MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,206MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 높게 나타났다. ET군 임플란트 시스템의 설측 및 협측에 작용하는 최대 von Mises 응력의 크기가 EP군 임플란트 시스템의 설측 및 협측에 작용하는 최대 von Mises 응력의 크기보다 낮게 나타났다.
- P4군과 ET2군의 피로 수명이 가장 우수한 것으로 평가되었으며 EP4군은 IP4, ET4, IT4, EP2, CIP2, IT2군보다 피로 수명이 우수한 것으로 나타났고, ET2군은 IT4, EP2, CIP2, IT2군보다 우수하며, EP2와 IP4군은 IT4군보다 피로 수명이 우수한 것으로 나타났다. 한편, EP4와 ET2군, EP2와 IP4군, ET2, IP2군과 IT2군, ET4, EP2, IP4, IT4군과 IP2, IT2, ET4군은 각각 피로 수명이 동일한 군으로 분류되었다.
- 고정체 노출 높이를 4㎜로 고정시킨 EP4군의 8개 모두가 지대주 나사 첨부 고정체 사공간부에서 파절이 발생되었으며, 임플란트 고정체의 근단측으로 갈수록 직경이 좁아지는 ET4군 역시 고정체 8개 모두가 지대주 나사 첨부 근처 고정체 사공간부에서 파절이 발생되었다.
- 임플란트 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 2㎜ 노출시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사의 2번째 골부에서 최대 응력이 작용하였으며, 고정체를 4㎜ 노출시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사의 5번째 골부에서 최대 응력이 작용하였다. 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 von Mises 응력의 크기는 669MPa, 협측의 최대 von Mises 응력의 크기는 1,049MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 726MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,206MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 높게 나타났다. ET군 임플란트 시스템의 설측 및 협측에 작용하는 최대 von Mises 응력의 크기가 EP군 임플란트 시스템의 설측 및 협측에 작용하는 최대 von Mises 응력의 크기보다 낮게 나타났다.
- 임플란트 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 5번째 나사골부에서 최대 응력이 작용하였으며, 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 조대한 나사의 두번째 골부에서 최대 응력이 작용하였다. 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 430MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,033MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 1,244MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 3,402 MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 급격히 높아졌다. 한편, 고정체 노출 높이가 2㎜에서 4㎜로 증가할수록 지대주 나사의 첫 번째 나사골 설측과 협측에 작용하는 von Mises 응력의 크기가 증가되었으나 지대주의 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계부에 작용하는 응력의 크기는 고정체의 높이가 증가할수록 감소하였다.
- 한편, 임플란트 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 조밀한 이중 나사산의 4번째 골부에서 최대 응력이 작용하였으며, 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 조대한 이중 나사산의 첫번째 나사산에서 최대 응력이 작용하였다. 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 867MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,359MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 812MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,074MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 낮게 나타났다.
- 한편, 임플란트 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사의 2번째 골부에서 최대 응력이 작용하였으며, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사의 5번째 골부에서 최대 응력이 작용하였다. 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 956MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,656MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 1,403MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,900MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 높게 나타났다. 또한, 고정체 노출 높이가 증가할수록 지대주 나사의 설측 및 협측의 두 번째 나사골부에 작용하는 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 von Mises 응력의 크기도 증가되었다.
- 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태의 EP2, IP2, ET2, IT2군 임플란트의 응력 분포를 관찰했을 때, 임플란트 시스템과 무관하게 임플란트 시스템과 고정 지그가 만나는 지그의 표면부와 접촉하고 있는 임플란트의 설측부와 협측부의 von Mises 응력이 다른 부위의 응력보다 높게 나타났다(Fig. 9).
- 고정체를 2㎜ 노출시켜 피로 시험한 IP2군 및 IT2군의 파절 위치를 보면 임플란트 형태와 무관하게 내부 연결 임플란트 시스템은 고정체는 파절이 안되고 지대주와 지대주 나사만 둘 다 파절되었다. 지대주의 경우 지대주 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계 부위에서 수평으로 파절되었으며, 지대주 나사의 경우 나사 시작 부위에서 주로 파절이 발생되었다.
- 12와 13은 IP군 임플란트 시스템에서 고정체를 2㎜, 4㎜노출 시킨 상태에서 임플란트 축에 30°각도로 설측에서 협측으로 600N의 하중을 가했을 때 임플란트가 받는 응력의 크기를 나타내고 있다. 고정체의 노출 높이에 무관하게 고정체와 고정체 나사 협측의 von Mises 응력이 설측의 최대 von Mises 응력보다 높게 나타났다. 한편, 임플란트 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 조밀한 이중 나사산의 4번째 골부에서 최대 응력이 작용하였으며, 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사산의 간격이 조대한 이중 나사산의 첫번째 나사산에서 최대 응력이 작용하였다.
- 10의 (a)와 (b)는 EP군 임플란트 시스템에서 고정체를 2㎜, 4㎜ 노출 시킨 상태에서 임플란트 축에 30°각도로 설측에서 협측으로 600N의 하중을 가했을 때 임플란트가 받는 응력의 크기를 나타내고 있다. 고정체의 노출 높이에 무관하게 고정체와 지대주 나사 협측의 von Mises 응력이 설측의 최대 von Mises 응력보다 높게 나타났다. 한편, 임플란트 고정 지그의 표면으로부터 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사의 2번째 골부에서 최대 응력이 작용하였으며, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서는 고정체 설측과 협측의 고정체 나사의 5번째 골부에서 최대 응력이 작용하였다.
- 구치부에 최대 하중인 600N이 가해질 때, 유한 요소법에 의해 계산된 고정체가 파절된 임플란트 군에 작용하는 최대 유효 응력(669∼3,402MPa) 값이 티타늄 grade Ⅳ의 항복 강도 483MPa 보다 높기 때문에 피로 시험 중, 임플란트 고정체 설측 나사골부에 소성 변형이 집중되어 고정체 나사골 부위에서 피로 균열이 발생된다는 것을 확인 할 수 있었다.
- 동일 종류의 임플란트의 경우 외부 연결형 임플란트의 평균 피로 수명이 내부 연결형 임플란트 평균 피로 수명보다 높게 나타났고, 평행형 임플란트가 첨형 임플란트보다 피로 수명이 높게 나타났다. 하지만 노출 정도에 따른 임플란트의 피로 수명은 2㎜ 노출군에서는 첨형이 평행형 보다 높았고, 4㎜ 노출군에서는 평행형이 첨형보다 높았다.
- 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 956MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,656MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 1,403MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,900MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 높게 나타났다. 또한, 고정체 노출 높이가 증가할수록 지대주 나사의 설측 및 협측의 두 번째 나사골부에 작용하는 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 von Mises 응력의 크기도 증가되었다.
- 본 연구에서 피로 현상에 의해 파절된 임플란트 고정체와 지대주의 파단면은 취성파괴의 전형적인 특징인 벽개 파면을 나타내었으며, 피로 균열 시작부 및 전파부에서는 피로의 전형적인 특징인 피로 줄무늬가 관찰되었다. 또한, 피로 파절된 지대주 나사 파단면의 피로 균열 시작부 및 전파부에서도 피로의 전형적인 특징인 피로 줄무늬가 관찰 되었으나 균열 시발부와 전파부에서는 취성파괴 특징인 준벽개 파면을 나타내고 최종 순간 파절부에서는 연성파괴의 특징인 딤플파면를 나타내었다. 이와 같은 사실로부터 피로 시험도중에 파절된 고정체, 지대주, 지대주 나사는 피로 균열의 생성 및 전파 과정을 거쳐, 임계 크기 이상으로 가해지는 하중을 더 이상 견디지 못하고 파절되는 피로의 전과정을 거쳐서 파절 되었다는 것을 알 수 있었다.
- 통상적으로 딤플38)로 이루어져 있는 연성파절은 거친 파단면을 나타내고, 결정학적인 벽개면을 따라 균열이 전파되는 취성파절은 매끈한 파단면을 나타낸다. 본 연구에서 피로 현상에 의해 파절된 임플란트 고정체와 지대주의 파단면은 취성파괴의 전형적인 특징인 벽개 파면을 나타내었으며, 피로 균열 시작부 및 전파부에서는 피로의 전형적인 특징인 피로 줄무늬가 관찰되었다. 또한, 피로 파절된 지대주 나사 파단면의 피로 균열 시작부 및 전파부에서도 피로의 전형적인 특징인 피로 줄무늬가 관찰 되었으나 균열 시발부와 전파부에서는 취성파괴 특징인 준벽개 파면을 나타내고 최종 순간 파절부에서는 연성파괴의 특징인 딤플파면를 나타내었다.
- 시료 전체(8가지 피로 시험 조건), 고정체를 2㎜노출시킨 임플란트 시스템, 고정체를 4㎜ 노출시킨 임플란트 시스템 군들에 대한 일원배치분산 분석 결과 집단간 유의 확률이 각각 7.2×10-12,6.0×10-6, 4.4×10-13으로써 95% 유의 수준에서 임플란트 시험 군간 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며, 평균 동질성에 대한 Welch 검정의 유의 확률이 각각 6.8×10-13, 4.8×10-7, 5.8×10-8로써95% 유의 수준에서 평균 피로 수명에 있어서도 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 유한 요소법을 이용하여 임플란트에 작용하는 응력을 예측할 경우 실제 임플란트가 받는 응력은 유한 요소법에 의해 계산된 유효 응력과는 다소간의 차이가 존재할 수 있다고 할지라도 고정체를 4㎜ 노출 시킨 경우 임플란트에 작용하는 응력에 대한 유한 요소 분석 결과는 응력 집중부위, 즉 응력이 가장 높게 걸리는 지그와 임플란트가 접촉하는 부위로 예측할 수 있었고, 대부분의 임플란트 고정체의 파절은 시료를 고정하는 지그 표면부와 일치하는 위치에서 발생되었고, 내부에 사공간을 가지고 있는 고정체 3-4번째 나사골이 시료의 고정 지그 표면과 일치할 때 주로 고정체가 피로 파절 되었다는 것을 실험을 통해 확인 할 수 있었으며, 실제 상악골, 하악골의 대구치부에 식립된 임플란트 고정체도 3-4번째 나사골에서 파절이 발생되었다는 것을 여러 문헌을 통해 알 수 있었다.29,42) 하지만 임플란트 고정체를 2 ㎜ 노출 시켜 시험한 경우 외부 연결형 임플란트 시스템은 고정체의 사공간부 및 고정체 몸체와 육각부가 접하는 고정체 경계부에서 경사지게 피로 파절이 발생되었고, 내부 연결형 임플란트 시스템은 지대주의 몸체와 고정체 육각부가 접하는 지대주 경계부에서 수평으로 피로 파절이 발생되었다.
- 이번 실험을 통해 고정체가 골능 수준과 접하는 나사산의 경계부 및 지대주와 고정체 육각부와 접하는 경계부 같은 응력 집중 계수가 높은 부위에서 주로 피로 파절이 발생되며, 임플란트 주변 골이 다량 소실되어 임플란트 고정체의 사공간과 피질 골 높이와 일치하는 고정체 부위에서 최대 인장 주응력이 발생되며,43) 고정체 사공간부가 최대 응력이 작용하는 피질 골 수준과 일치할 때 고정체의 피로 파절이 발생된다는 것을 알 수 있었다. 또한, 피질 골 소실이 많지 않은 상태에서도 임플란트에 과하중이 작용하면 응력 집중부인 지대주와 고정체 육각부와 접하는 경계부에서 피로 파절이 발생된다는 본 연구 결과로부터 심한 이 악물기 또는 이갈기 습관을 가지는 환자들의 구치부에 식립된 임플란트의 임플란트 피로 파절을 방지하기 위해서는 임플란트 보호 장치를 제작하거나 하중에 견디는 능력이 큰 직경이 큰 임플란트를 식립하는 것이 바람직하며, 피로 수명이 상대적으로 낮은 내부 연결형 임플란트 시스템은 가능한 구치부에 식립하지 않는 것이 필요하다고 사료된다.
- 또한, 피로 파절된 지대주 나사 파단면의 피로 균열 시작부 및 전파부에서도 피로의 전형적인 특징인 피로 줄무늬가 관찰 되었으나 균열 시발부와 전파부에서는 취성파괴 특징인 준벽개 파면을 나타내고 최종 순간 파절부에서는 연성파괴의 특징인 딤플파면를 나타내었다. 이와 같은 사실로부터 피로 시험도중에 파절된 고정체, 지대주, 지대주 나사는 피로 균열의 생성 및 전파 과정을 거쳐, 임계 크기 이상으로 가해지는 하중을 더 이상 견디지 못하고 파절되는 피로의 전과정을 거쳐서 파절 되었다는 것을 알 수 있었다. 피로 파절된 임플란트를 마크로 사진으로 관찰한 결과 피로 파절 형태를 크게 3가지 즉, 고정체의 사공간부에서 고정체만 파절, 고정체와 지대주 나사 둘 다 파절, 지대주의 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계부에서 지대주와 지대주 나사 둘 다 파절된 경우로 분류하였다.
- 29,42) 하지만 임플란트 고정체를 2 ㎜ 노출 시켜 시험한 경우 외부 연결형 임플란트 시스템은 고정체의 사공간부 및 고정체 몸체와 육각부가 접하는 고정체 경계부에서 경사지게 피로 파절이 발생되었고, 내부 연결형 임플란트 시스템은 지대주의 몸체와 고정체 육각부가 접하는 지대주 경계부에서 수평으로 피로 파절이 발생되었다. 이와 같은 실험 결과는 임플란트 주변 골의 소실이 적은 상태에서도 이상 기능 습관에 의해 과도한 하중이 임플란트에 가해질 때 응력이 집중되는 외부 연결형 임플란트 고정체의 골능 수준과 일치하는 경계부 및 내부 연결형 임플란트 지대주의 고정체 육각부와 접하는 경계부에 피로 파절이 발생될 수 있다는 사실을 암시하고 있다.
- 임프란트 노출 정도에 따른 피로 수명 결과는 2㎜ 노출형은 ET2, EP2, IT2, IP2군 순으로, 4㎜노출형은 EP4, IP4, ET4, IT4군 순으로 피로수명이 저하되어 나타났다(Fig. 1).
- 5, 6는 고정체 사공간 상부에서 수평으로 고정체와 지대주 나사 둘 다 피로 파절된 IT4군의 대표적인 고정체와 지대주 나사의 파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 임플란트 머리부에서 꼬리부로 갈수록 직경이 가늘어지는 첨형 IT4군의 고정체 피로 파절면에 대한 마크로 사진상에서는 다수의 톱니무늬 및 요철이 존재하였으나 지대주 나사의 파절면은 아주 평활하게 나타났다. 고정체 파절면은 벽개파면으로 이루어져 있고, 지대주 나사의 파절면은 취성파괴 특성을 나타내는 벽개파면과 연성파괴 특징을 나타내는 딤플 파면이 혼재하였다.
- 임플란트 연결 방법에 따른 피로 수명 결과를 보면 외부 연결형은 EP4, ET2 ,EP2, ET4군 순으로 저하되었고, 내부 연결형은 IP4, IT2, IP2, IT4군 순으로 저하되어 나타났다.
- 임플란트 전체 군에 대한 최대 유효 응력을 주 응력 성분으로 분석한 결과, 설측에는 인장 응력이 작용하고, 협측에는 압축 응력이 작용하는 것으로 나타났다. 따라서 하중이 설측에서 협측으로 가해질 경우 인장 응력이 작용하는 설측에서는 피로 균열이 시작되어 협측으로 전파되고, 피로 균열의 크기가 임계 크기 이상 되면 임플란트가 하중을 더 이상 지탱하지 못하고 순간적으로 파절되게 되며, 과도한 압축 응력이 작용하는 협측에서는 주변 골 소실이 발생하게 된다.
- 임플란트 형태에 따른 피로 수명 결과를 보면 평행형은 EP4, IP4, EP2, IP2군 순으로 저하되었고, 첨형은 ET2, ET4, IT2, IT4군 순으로 저하되어 나타났다.
- 임플란트의 고정체를 4㎜ 노출시켜 피로 시험한 IP4군은 8개 모두가 지대주 나사 첨부 근처 고정체 사공간부에서 파절이 발생되었고, 임플란트 고정체의 근단측으로 갈수록 직경이 좁아지는 IT4군은 8개 고정체 중 6개는 지주대 나사 첨부 근처 고정체 사공간부에서 파절이 발생되었고, 나머지 2개는 고정체 사공간보다 높은 위치에서 고정체와 지대주 나사 둘 다 파절되었다.
- 피로 파절 임플란트에 대한 파절 형태를 분류하면 크게 3가지 특징으로 나타난다. 즉, 고정체의 사공간부에서 고정체만 파절, 고정체와 지대주 나사 둘 다 파절, 지대주와 고정체 육각부가 접하는 경계부에서 지대주와 지대주 나사 둘 다 파절된 경우로 나눌 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 주사전자현미경을 이용하여 위에서 분류한 3가지 파절 형태로 파손된 대표적인 임플란트 각 1종을 선택하여 파단면을 자세히 관찰하였다.
- 지대주와 고정체 육각부가 접하는 경계부에 대한 유한 요소 해석 결과 설측의 von Mises 응력의 크기가 196∼276MPa로써 티타늄 grade Ⅲ의 항복강도 380 MPa보다 낮게 나타났다.
- 동일 종류의 임플란트의 경우 외부 연결형 임플란트의 평균 피로 수명이 내부 연결형 임플란트 평균 피로 수명보다 높게 나타났고, 평행형 임플란트가 첨형 임플란트보다 피로 수명이 높게 나타났다. 하지만 노출 정도에 따른 임플란트의 피로 수명은 2㎜ 노출군에서는 첨형이 평행형 보다 높았고, 4㎜ 노출군에서는 평행형이 첨형보다 높았다.
- 한편 고정체 노출 높이가 2㎜에서 4㎜로 증가할수록 지대주 나사의 첫 번째 나사골 설측과 협측에 작용하는 von Mises 응력의 크기가 증가하였으나 지대주의 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계부에 작용하는 응력의 크기는 고정체의 높이가 증가할수록 감소하였다. 이와 같은 사실로부터 고정체 노출 높이가 감소 할 수록 지대주의 경계부에 작용하는 von Mises 응력은 증가하고 그에 따라 지대주가 파절될 가능성이 증대되고, 고정체 노출 높이가 증가하면 증가 할수록 지대주 나사의 첫 번째 나사골에 작용하는 응력은 작아져 지대주 나사의 첫 번째 나사골에서 파절될 가능성이 낮아지게 된다.
- 고정체를 2㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 430MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 1,033MPa, 고정체를 4㎜ 노출 시킨 상태에서 고정체 설측의 최대 von Mises 응력의 크기는 1,244MPa, 협측의 von Mises 응력의 크기는 3,402 MPa로써 고정체 노출 높이가 증가할수록 고정 지그 표면과 접촉되는 지점에서 임플란트에 작용하는 응력이 급격히 높아졌다. 한편, 고정체 노출 높이가 2㎜에서 4㎜로 증가할수록 지대주 나사의 첫 번째 나사골 설측과 협측에 작용하는 von Mises 응력의 크기가 증가되었으나 지대주의 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계부에 작용하는 응력의 크기는 고정체의 높이가 증가할수록 감소하였다. 이와 같은 사실로부터 고정체 노출 높이가 감소 할수록 지대주의 고정체 육각부가 접하는 경계부에 작용하는 von Mises 응력은 커지고 그에 따라 지대주가 파절될 가능성이 증가하고, 고정체 노출 높이가 증가 할수록 지대주 나사의 첫 번째 나사골에 작용하는 응력은 작아져 지대주 나사의 첫 번째 나사골에서 파절될 가능성이 낮아지게 된다.
- 고정체 파절면은 벽개파면으로 이루어져 있고, 지대주 나사의 파절면은 취성파괴 특성을 나타내는 벽개파면과 연성파괴 특징을 나타내는 딤플 파면이 혼재하였다. 한편, 고정체 및 지대주 나사의 피로 균열 전파부에서는 다수의 피로 줄무늬들이 관찰되었는데 고정체의 피로 줄무늬들이 지대주 나사의 피로 줄무늬보다 훨씬 크게 나타났다.
- 지대주의 파절면은 준벽개 파면으로 이루어져 있고, 지대주 나사의 파절면은 취성파괴 특성을 나타내는 준벽개파면과 연성파괴 특징을 나타내는 딤플파면이 혼재하였다. 한편, 지대주 및 지대주 나사의 피로 균열 전파부에서는 다수의 피로 줄무늬들이 관찰되었는데 지대주 피로 줄무늬들이지대주 나사의 피로 줄무늬보다 훨씬 크게 나타났다.
후속연구
- 고정체 사공간부가 최대 응력이 작용하는 피질 골 수준과 일치할 때 고정체의 피로 파절이 발생된다는 것을 알 수 있었다. 또한, 피질 골 소실이 많지 않은 상태에서도 임플란트에 과하중이 작용하면 응력 집중부인 지대주와 고정체 육각부와 접하는 경계부에서 피로 파절이 발생된다는 본 연구 결과로부터 심한 이 악물기 또는 이갈기 습관을 가지는 환자들의 구치부에 식립된 임플란트의 임플란트 피로 파절을 방지하기 위해서는 임플란트 보호 장치를 제작하거나 하중에 견디는 능력이 큰 직경이 큰 임플란트를 식립하는 것이 바람직하며, 피로 수명이 상대적으로 낮은 내부 연결형 임플란트 시스템은 가능한 구치부에 식립하지 않는 것이 필요하다고 사료된다.
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